Los nuevos cohetes. Innovación y tendencias en propulsión espacial

Jesús Marcos
Director División Espacio de INASMET

Las recientes misiones de los satélites SMART1 y ARTEMIS de la Agencia Espacial Europea han permitido la demostración en órbita y por tanto su calificación para uso espacial de unos sistemas de propulsión alternativos a los tradicionales motores cohete o motores de propulsión química: los motores de propulsión eléctrica o motores iónicos.

Estos innovadores motores de propulsión de satélite denominados genéricamente como propulsión eléctrica desarrollados en los años 1950 por ingeniería espacial rusa, están cobrando un renovado auge debido a su bajo peso, su sencilla configuración y su gran eficiencia propulsiva o impulso específico, con un reducido consumo de combustible o gas propulsor. Los motores iónicos concebidos para la propulsión, corrección de trayectoria y mantenimiento de órbita de satélites se pusieron «de moda» en los últimos años 1995-2000 unidos a los presagios de grandes constelaciones de satélites de comunicaciones como IRIDIUM o TELEDESIC y la necesidad de disponer de motores sencillos, fáciles de fabricar en gran serie y suficientemente eficaces para las necesidades de corrección de trayectoria y mantenimiento en órbita de la constelación de pequeños satélites de comunicaciones.

Traspasada la caída de los mercados de telecomunicaciones, la nueva orientación de estos motores iónicos se dirige a desarrollarse como sistemas de propulsión alternativa para grandes plataformas de satélites. Estas aplicaciones en plataformas electro-propulsadas eg ALFABUS, demandan motores o más propiamente redes de motores de propulsión iónica de gran capacidad, por encima de los 5.000 W de potencia.

Los nuevos cohetes

En esta carrera por desarrollar grandes motores forma parte de las prioridades tecnológicas de las agencias europea ESA y americana NASA, el escalado de estos motores plásmicos, la eficiencia de sus propelentes, las interacciones del plasma, o sus materiales constructivos. INASMET ha desarrollado una generación de materiales compuestos cerámicos para las cámaras o canales de aceleración de los motores iónicos de plasma ROS99, ROS2000 y otros.

Actualmente, INASMET suministrador europeo de cámaras cerámicas y componentes de propulsión, está desarrollando bajo contrato con ESA cámaras cerámicas para grandes motores de efecto Hall (HET de 5 kw), cámaras de motores de doble etapa y micromotores de propulsión tipo HET en rangos inferiores a 10 w.

Los motores de Efecto Hall (HET) son aceleradores de plasma de gran eficacia, permitiendo la generación de una gran fuerza de empuje con un mínimo consumo de propelente. El impulso específico de los HET usando Xenon como propelente está en el rango 1.500-2.000 segundos. El principio básico de los HET consiste en alcanzar un empuje propulsivo del satélite por la aceleración de un plasma generado en el interior de una cámara mediante la ionización de un gas bajo un campo eléctrico.

En un motor de efecto Hall, las espiras magnéticas generan un campo magnético radial perpendicular al campo eléctrico existente en la dirección del eje. El sistema (la espira) magnético produce una distribución predefinida del campo magnético en el canal de aceleración del motor dirigida a aumentar la eficiencia en la ionización. El efecto Hall atrapa a los electrones en el plasma forzándoles a moverse en un circulo alrededor de ejes (cuando un conductor lleva un campo de corriente perpendicular al campo magnético, se desarrolla una diferencia de potencial perpendicular a ambos, a la corriente y al campo magnético). Como resultado, es posible re-ionizar el propelente inyectado por más tiempo. El campo electrostático acelera los iones dentro del flujo de salida. Electrones adicionales provenientes del cátodo fluyen a la corriente de salida
para neutralizar el flujo iónico cargado.

Los electrones gradualmente se dirigen en la dirección contraria para completar el circuito eléctrico pero, frenados por el campo magnético, no se mueven lo suficientemente rápido para cortocircuitar el campo. En otras palabras, los campos magnéticos dispersan los electrones lo suficiente para producir la cantidad de resistencia adecuada para mantener la corriente cargada. Los iones más pesados, que se mantienen prácticamente sin ser afectados por el campo magnético son acelerados en la dirección axial salida por el campo eléctrico creado.

Dado que el plasma permanece neutro, se pueden conseguir densidades de empuje (Empuje por unidad de área) mucho mayores que con la propulsión iónica electrostática, lo que significa una gran ventaja para el mantenimiento de órbita y para la propulsión en emisiones en el espacio profundo.

Se han desarrollado dos tipos básicos de HET: (1) Motores de Plasma Estacionario (SPT) y (2) Motores con un anillo anódico (TAL). La diferencia principal entre los dos tipos es que la región de aceleración en el SPT está en el propio motor mientras que en el TAL está en la parte de adelante del motor. Los sistemas TAL tienen un canal de aceleración metálico y una configuración magnética que confina la aceleración en una región muy estrecha en la corriente de salida, localizada en el plano de salida del motor.

Los sistemas SPT requieren un canal de aceleración cerámico y tienen una configuración magnética que permite a la aceleración extenderse a la largo de la longitud del canal. Los SPT proporcional menor densidad energética específica y es más robusto a los cambios en la forma geométrica y a las cambios en la configuración del campo magnético. Además, los sistemas TAL requieren mayor precisión en el diseño y la fabricación del circuito magnético, siendo la cámara cerámica de los sistemas SPT más tolerante.

Los primeros usos de los motores SPT datan de 1972. Desde entonces, más de 100 unidades de estos motores diseñados por OKB Fakel han volado al espacio, y alrededor de 50 están todavía operativos.

En Europa, ALCATEL y ASTRIUM han vendido varios satélites que utilizan SPT-100 HET para el mantenimiento de órbita Norte-Sur (NSSK). El motor PPS-1350 de tipo Hall de SNECMA ha completado recientemente 6000 horas de ensayo de calificación en operación. Para el satélite experimental STENTOR de la Agencia Francesa del Espacio CNES y ha suministrado propulsión primaria a la misión de la ESA SMART 1 dirigida a explorar la luna.

En EE. UU., Space Systems/Loral (SS/L) ha completado la integración de un SPT100 para NSSK en el satélite Telstar 8. El SPT ha sido completamente calificado e incluye 4 motores del diseño de Fakel. Todos estos ejemplos muestran la disponibilidad de sistemas HET de potencia media (11,5 kw). Sin embargo en un futuro cercano se confía en la capacidad de escalado hacia macromotores 5-10 kw y el microescalado (10- 100 w) para expandir el espectro de aplicaciones.

Desde 1999, INASMET desarrolla y fabrica las cámaras cerámicas del canal de aceleración de los motores de propulsión iónica de efecto Hall (HET). El canal de aceleración es un componente crítico del motor, es allí donde se produce la descarga que produce el plasma, actuando de ánodo y su aceleración hacia el cátodo. Las cámaras se fabrican de un material compuesto cerámico que soporta altas temperaturas y la importante erosión de los iones en su aceleración. INASMET empresa experta en materiales de usos espaciales ha desarrollado una generación de compuestos cerámicos dirigidos a la aplicación de los motores de plasma. Así, se han evaluado con éxito cámaras cerámicas de INASMET en los motores ROS99, ROS00 desarrollados por ASTRIUM para la propulsión de plataformas espaciales.

Los nuevos cohetes 02

Actualmente, INASMET mantiene un contrato con la Agencia Espacial Europea para el desarrollo de cámaras cerámicas para motores HET de 10 KW, y para micromotores de 100 W. Se está trabajando en la fabricación de estos compuestos cerámicos mediante tecnologías de procesado HP y Proyección térmica para las grandes cámaras y con microinyección, sinterización de nanomateriales y procesos de superficie para la fabricación de pequeñas cámaras.

En la línea de la Micropropulsión, INASMET está igualmente desarrollando un micromotor de bipropelente de propulsión química.

Los microsatélites (de 10 kg hasta 100 kg) tienen unas restricciones de masa, volumen y potencia eléctrica debido a sus pequeñas dimensiones. Estas limitaciones unidas a la no disponibilidad de sistemas de control de órbita activo en microsatélites.

Por lo tanto, se requiere un sistema de micropropulsión con una alta relación de potencia y masa para aumentar la funcionalidad de los pequeños satélites. INASMET está desarrollando un micromotor de bipropelente líquido (MNT) bajo un contrato con la Agencia Espacial Europea. El mayor reto tecnológico del proyecto es la realización de un micromotor cohete con propelentes presurizados por microbombas. La energía para activar las microbombas se extrae de una microturbina. Se desarrollan canales de refrigeración alrededor de la tobera de salida para mantener el material de la pared por debajo de su máxima temperatura de operación. INASMET se encarga de la fabricación de los micromotores con materiales cerámicos resistentes a altas temperaturas como el nitruro de silicio y otros. Para fabricar estos materiales se utilizan también procesos innovadores como la microfabricación con nanomateriales.

Los nuevos cohetes.
Primer prototipo de turbina.
Los nuevos cohetes

Siguiendo con la línea de sistemas propulsivos de vehículos espaciales, INASMET fabricó para la empresa Iberespacio un sistema de 250 tubos de intercambiadores criogénicos para validar el diseño de un nuevo motor híbrido en la evolución de la propulsión del lanzador Arianne- Programa de Futuros Lanzadores Europeos. En este caso, el sistema de fabricación por braseado o soldadura fuerte tuvo que ser modificado para optimizar el diseño del intercambiador.

La propulsión espacial sigue evolucionando, llevar a cabo misiones de exploración del cosmos como algunas propuestas en el programa científico de la ESA o en el Programa AURORA, entre ellos alcanzar Marte, demandan de necesidad de tener sistemas de propulsión alternativos a la propulsión química (dado el exceso de peso que supondría el propelente). La propulsión eléctrica ha demostrado su eficiencia y viabilidad para misiones lunares, en los que la energía para alimentar el motor se capta por paneles solares. Como dato baste decir que la misión el motor iónico de la misión SMART 1 requería una potencia eléctrica de 1,19 KW para conseguir un empuje de 68 mN con un impulso específico de 1640 segundos.

Para misiones habitadas a Marte en las que se precisen empujes de hasta 2kN y cargas de hasta 140 toneladas, la captación de energía con paneles solares no resulta suficiente, por lo que se está investigando la posibilidad de utilizar sistemas de propulsión nuclear. La Air Force Americana ya está dando sus primeros pasos en la propulsión nuclear eléctrica de satélites; en Europa se va a realizar algún estudio, la demanda de materiales para intercambiadores de sodio, el confinamiento de Plutonio, los nuevos diseños de turbina, son demandas tecnológicas en materiales que se derivan de estos retos. En este sentido, INASMET está siguiendo con interés las evoluciones de los sistemas de propulsión que anticipan los objetivos de exploración del sistema solar.